工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分之一,在機(jī)器視覺系統(tǒng)中有著非常重要的作用。工業(yè)相機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線在線檢測(cè)、智能交通,機(jī)器視覺,科研,軍事科學(xué),航天航空等眾多領(lǐng)域。 工業(yè)相機(jī)的主要參數(shù)包括:分辨率、幀率、像素、像元尺寸、光譜響應(yīng)特性等。下面我們來對(duì)工業(yè)相機(jī)幀率的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解:

幀率(Frame rate)是用于測(cè)量顯示幀數(shù)的量度。所謂的測(cè)量單位為每秒顯示幀數(shù)(Frames per Second),簡(jiǎn)稱:FPS或“赫茲”(Hz)。

由于人類眼睛的特殊生理結(jié)構(gòu),如果所看畫面之幀率高于16fps的時(shí)候,就會(huì)認(rèn)為是連貫的,此現(xiàn)象稱之為視覺暫留。這也就是為什么電影膠片是一格一格拍攝出來,然后快速播放的。

每秒的幀數(shù)(fps)或者說幀率表示圖形處理器處理場(chǎng)時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的動(dòng)畫。一般來說30fps就是可以接受的,但是將性能提升至60fps則可以明顯提升交互感和逼真感,但是一般來說超過75fps一般就不容易察覺到有明顯的流暢度提升了。如果幀率超過屏幕刷新率只會(huì)浪費(fèi)圖形處理的能力,因?yàn)楸O(jiān)視器不能以這么快的速度更新,這樣超過刷新率的幀率就浪費(fèi)掉了。

最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate):即相機(jī)采集傳輸圖像的速率,對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec.),對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)(Hz)。

相機(jī)幀率和曝光時(shí)間的關(guān)系:

有人問,為什么我們?cè)谑褂霉I(yè)相機(jī)的時(shí)候,將相機(jī)的曝光時(shí)間增加以后,相機(jī)的幀率就下降,而且下降得很厲害,相機(jī)的幀率和曝光的關(guān)系是怎樣,如果想要獲得固定的幀率,相機(jī)的曝光時(shí)間應(yīng)該怎么設(shè)置?因此寫下本文,解答了朋友的問題,也使用Sentech相機(jī)來做過相關(guān)的測(cè)試,幀率和曝光時(shí)間跟本文中所述一致。詳細(xì)原理見下文所示:

曝光和傳感器讀數(shù)

相機(jī)上的圖像采集過程包括兩個(gè)截然不同的部分。第一部分是曝光。曝光完成后,進(jìn)行第二部分Readout過程即從傳感器的寄存器中讀出數(shù)據(jù)并傳送出去(Readout過程)。

關(guān)于圖像采集過程中,相機(jī)操作有兩種常見的方法:“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光。在非重疊(“non-overlapped”)模式中,每個(gè)圖像采集的周期中,相機(jī)在下一個(gè)圖像采集開始前,均要完成曝光/讀出整個(gè)過程。如圖1所示。

Fig.1 Non-overlapped Exposure

雖然非重疊(“non-overlapped”)的模式,可適合于許多情況下,但它并不是最有效的方式。為了提高相機(jī)的幀率,允許在下一幀圖像開始曝光時(shí)候,將前一幀獲得的圖像數(shù)據(jù)讀出并傳送出去。相機(jī)“重疊”(“overlapped”)曝光的方式見圖2所示。

從圖2中我們可以看到,相機(jī)讀出數(shù)據(jù)和下一幀曝光開始出現(xiàn)重疊的情況,在同一個(gè)時(shí)刻內(nèi),相機(jī)執(zhí)行兩個(gè)操作,導(dǎo)致在同樣的單位時(shí)間內(nèi),在“overlapped”曝光模式下,可以采集到更多的圖片,即相機(jī)的幀率更高。

Fig.2 overlapped Exposure

從上邊兩個(gè)圖中,我們可以知道在“non-overlapped”的曝光和“overlapped”的曝光模式底下,一幀圖像的周期存在著這樣的關(guān)系:"overlapped”的曝光模式下: FramePeriod≤Exposure Time + ReadoutTime

“non-overlapped”的曝光模式下:FramePeriod > Exposure Time + Readout Time

以STC-A202A為例:

圖1 Spec

從Spec中可知,其Pixel Frequency為:36.8181MHz,所以1Clock的時(shí)間為1/36.8181Mhz =27.3836ns,接下來我們看相機(jī)的Timing chart,首先先看HorizontalTiming,見圖2所示:

圖2 Horizontal Timing

從圖2中,我們從中可讀到的信息為,1 CLK=27.1605 nseconds,和我們從spec上得到的Pixel Frequency算出來的時(shí)間差不多。掃描1Horizontal需要1920CLK,即1H =27.1605*1920 =52148.16ns=52.14816us

接下來看相機(jī)Vertical Timing見圖3所示:

圖3 Vertical Timing

從圖3中,我們可讀出的信息為,1H=52.1482useconds,和我們通過圖2計(jì)算出來horizontal Scanning的時(shí)間一致,而在一幀圖像中,需要掃描1252H,其中Effective Pixels為1220H,即1幀圖像中,Effective Pixels Read out的時(shí)間為1220*52.1482 =63620.804us =63.620804ms,一個(gè)VD信號(hào),所用的時(shí)間為:1252*52.1482=67793.5464us =67.7935464ms。按照我們前邊的理論,一個(gè)cycletime內(nèi),一幀圖像的時(shí)間為:Frame Period = Exposure Time +Readout Time

而我們知道STC-A202A的幀率為:15fps,即1 Frame Period =1/15 =66.7ms。

所以在“non-overlapped”exposure 模式下,ExposureTime = Frame Period – Readout Time =66.7ms -63.6ms =3.1ms,在此模式下,若是超過3.1ms的曝光時(shí)間,其幀率就會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)幀率15fps低。

假如1顆相機(jī)Readout Time為:66.7ms,即數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為A,A=66.7ms,曝光時(shí)間為B,B=5ms,則一幀圖像的時(shí)間為C,則C=A+B=66.7ms + 5ms =71.7ms,則這顆相機(jī)的幀率為:1000/71.7 =13.94FPS,則這顆相機(jī)的幀率為13.94.

注意:一般情況下,若我們的相機(jī)的幀率為15fps,則表示相機(jī)ReadOut數(shù)據(jù)的時(shí)間為1000ms/15 =66.7ms